浙大電力電子技術(shù)第一章ppt課件

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 江道灼江道灼 教授教授：Telephone：67899975887999電力電子技術(shù)第一章第一章 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第二章第二章 功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)和維護(hù)功率半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)和維護(hù)第三章第三章 交流交流- -直流直流(AC-DC)(AC-DC)變換變換第四章第四章 直流直流- -直流直流(DC-DC)(DC-DC)變換變換第五章第五章 直流直流- -交流交流(DC-AC)(DC-AC)變換變換第六章第六章 交流交流- -交流交流(AC-AC)(AC-AC)變換變換第七章第七章 諧振軟開關(guān)技

2、術(shù)諧振軟開關(guān)技術(shù)第八章第八章 電力電子在電氣工程中的運(yùn)用電力電子在電氣工程中的運(yùn)用功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件1.1 概述1.2 大功率二極管1.3 晶閘管1.4 大功率晶體管1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.6 絕緣柵雙極性晶體管1.7 其他新型功率開關(guān)器件概述概述功率半導(dǎo)體器件的定義：功率半導(dǎo)體器件的定義：基于半導(dǎo)體資料、構(gòu)成電力電子安裝一次電路主電路的基于半導(dǎo)體資料、構(gòu)成電力電子安裝一次電路主電路的根本元件根本元件功率半導(dǎo)體器件的任務(wù)特點(diǎn)：功率半導(dǎo)體器件的任務(wù)特點(diǎn)：任務(wù)在開關(guān)形狀，且通態(tài)電阻很小，壓降接近于任務(wù)在開關(guān)形狀，且通態(tài)電阻很小，壓降接近于0 0等效于等效于短接，斷態(tài)電阻很大，漏電流接

3、近于等效于開斷；短接，斷態(tài)電阻很大，漏電流接近于等效于開斷；任務(wù)開關(guān)頻率較高，存在開關(guān)損耗開通與關(guān)斷損耗；任務(wù)開關(guān)頻率較高，存在開關(guān)損耗開通與關(guān)斷損耗；任務(wù)過程中需接受高電壓、大電流。任務(wù)過程中需接受高電壓、大電流。電力電子安裝表示圖電力電子安裝表示圖概述概述理想功率半導(dǎo)體器件：動(dòng)、靜態(tài)特性好理想功率半導(dǎo)體器件：動(dòng)、靜態(tài)特性好通態(tài)電流大且管壓降極低通態(tài)電流大且管壓降極低斷態(tài)漏電流極小且能接受高電壓斷態(tài)漏電流極小且能接受高電壓極短的開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間極短的開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間極小的開關(guān)損耗包括通、斷態(tài)損耗極小的開關(guān)損耗包括通、斷態(tài)損耗接受接受du/dt與與di/dt才干強(qiáng)等才干強(qiáng)等概述概述功率半導(dǎo)體器件的開展

4、功率半導(dǎo)體器件的開展 大功率二極管產(chǎn)生于大功率二極管產(chǎn)生于20世紀(jì)世紀(jì)40年代，目前已構(gòu)成整流二極年代，目前已構(gòu)成整流二極管、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管等管、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管等3種主要類型。種主要類型。 20世紀(jì)世紀(jì)60年代出現(xiàn)了第一代電力電子器件年代出現(xiàn)了第一代電力電子器件晶閘管及其晶閘管及其派生器件，如逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管等；派生器件，如逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管等； 70年代出現(xiàn)了第二代自關(guān)斷型電力電子器件，如年代出現(xiàn)了第二代自關(guān)斷型電力電子器件，如GTO、GTR、P-MOSFET等；等； 80年代出現(xiàn)了第三代場(chǎng)控功率半導(dǎo)體器件，如年代出現(xiàn)了第三代場(chǎng)控功率半導(dǎo)體器件，如IGBT、

5、IGCT等；等； 80年代末年代末90年代初開場(chǎng)出現(xiàn)第四代電力電子器件：集勝利年代初開場(chǎng)出現(xiàn)第四代電力電子器件：集勝利率半導(dǎo)體器件，如率半導(dǎo)體器件，如IPM等。等。 功率半導(dǎo)體器件的分類功率半導(dǎo)體器件的分類 1按可控性分類：按可控性分類： 不可控型、半控型、全控型不可控型、半控型、全控型 2按驅(qū)動(dòng)信號(hào)分類：按驅(qū)動(dòng)信號(hào)分類： 電流驅(qū)動(dòng)型、電壓驅(qū)動(dòng)型、光驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)型、電壓驅(qū)動(dòng)型、光驅(qū)動(dòng)型型大功率二極管大功率二極管為不可控型功率半導(dǎo)體器件，主要用于不可控整流、為不可控型功率半導(dǎo)體器件，主要用于不可控整流、電感性負(fù)載回路的續(xù)流等。電感性負(fù)載回路的續(xù)流等。大功率二級(jí)管的構(gòu)造及符號(hào)：大功率二級(jí)管的構(gòu)造及

6、符號(hào)：(a)符號(hào)符號(hào) (b)螺旋式構(gòu)造螺旋式構(gòu)造 (c)平板式構(gòu)造平板式構(gòu)造 I200A I200A大功率二極管大功率二極管伏安特性伏安特性(a)實(shí)踐特性 (b)理想特性大功率二極管大功率二極管開通、關(guān)斷特性開通、關(guān)斷特性(a) 開通特性 (b)關(guān)斷特性大功率二極管大功率二極管主要參數(shù)主要參數(shù)1.額定正向平均電流額定電流額定正向平均電流額定電流IF2.反向反復(fù)峰值電壓額定電壓反向反復(fù)峰值電壓額定電壓VRRM3.反向漏電流反向漏電流IRR4.正向平均電壓正向平均電壓VF通態(tài)壓降通態(tài)壓降5.大功率二級(jí)管的型號(hào)定義大功率二級(jí)管的型號(hào)定義 ZP電流等級(jí)電流等級(jí)-電壓等級(jí)電壓等級(jí)/100通態(tài)平均電壓通態(tài)

7、平均電壓組別組別如：如：ZP50-16為：普通型大功率二極管，額定電流為：普通型大功率二極管，額定電流50A、電壓、電壓1600V晶閘管晶閘管晶閘管晶閘管SCR的構(gòu)造的構(gòu)造(a)螺旋式構(gòu)造螺旋式構(gòu)造 (b)平板式構(gòu)造平板式構(gòu)造 (c)符號(hào)符號(hào) I200A I200ASCR管芯構(gòu)造原理管芯構(gòu)造原理晶閘管晶閘管晶閘管的任務(wù)原理晶閘管的任務(wù)原理1. 正向阻斷、反向阻斷正向阻斷、反向阻斷1導(dǎo)通條件：導(dǎo)通條件：晶閘管的陽(yáng)極晶閘管的陽(yáng)極陰極之間加正向電壓；陰極之間加正向電壓；門極加正向電壓，使足夠的門極電流門極加正向電壓，使足夠的門極電流Ig流入。流入。2關(guān)斷條件：關(guān)斷條件：陽(yáng)極電流小于維持電流陽(yáng)極電流小

8、于維持電流IH以下并經(jīng)過一段時(shí)間。以下并經(jīng)過一段時(shí)間。晶閘管晶閘管晶閘管的任務(wù)原理續(xù)晶閘管的任務(wù)原理續(xù)2. 內(nèi)部物理過程內(nèi)部物理過程 晶體管的內(nèi)部物理過程可用復(fù)合三極管效應(yīng)等晶體管的內(nèi)部物理過程可用復(fù)合三極管效應(yīng)等效，如以下圖：集電極電流為另一只晶體管的基極電效，如以下圖：集電極電流為另一只晶體管的基極電流，構(gòu)成正反響。流，構(gòu)成正反響。晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng)晶閘管的等效復(fù)合三極管效應(yīng)晶閘管正反響過程仿真演示晶閘管正反響過程仿真演示晶閘管晶閘管晶閘管的陽(yáng)極電流：agkIII)(1212gcoaIII晶閘管的陰極電流：由以上兩式可求出晶閘管的陰極電流：cokacccaIIIIIII21021兩

9、個(gè)晶閘管的共基極電流放大倍數(shù)兩個(gè)晶閘管的共基極電流放大倍數(shù) 與其發(fā)射極電與其發(fā)射極電Ia、Ic成非線性正比關(guān)系，即當(dāng)成非線性正比關(guān)系，即當(dāng)Ia、Ic很小時(shí)很小時(shí) 也很也很小；小； 隨著隨著Ia、Ic的增大而增大。的增大而增大。12、12、12、晶閘管晶閘管11112222)(00) 1 (ebcebgIIIIII0acII為正向漏電流，晶閘管不導(dǎo)通。g222b11112c02 g12aa1212gg(2)I0III1II1-()1I0IgececbIIIIII當(dāng)晶閘管承受正向電壓且時(shí)有：（=）正反饋過程當(dāng)時(shí)，由知，此時(shí) 將急劇增大且晶閘管內(nèi)部無(wú)法控制，其大小完全有外部電路條件決定晶閘管進(jìn)入完全

10、導(dǎo)通狀態(tài)，且維持此時(shí)即使也不能關(guān)斷晶閘管無(wú)影響，門極失去控制作用。aHae11c1e2kc221212ac0III (I )II (I )I0II(3) 關(guān)斷已導(dǎo)通晶閘管的唯一辦法就是使其陽(yáng)極電流 下降到小于維持電流，此時(shí)有：當(dāng)、下降到時(shí)，晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)而關(guān)斷。晶閘管晶閘管晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性 一、靜態(tài)特性一、靜態(tài)特性1. 晶閘管的陽(yáng)極伏安特性晶閘管的陽(yáng)極伏安特性 理想特性理想特性 實(shí)踐特性實(shí)踐特性 正向阻斷高阻區(qū)；正向阻斷高阻區(qū)； 負(fù)阻區(qū)；負(fù)阻區(qū)； 正導(dǎo)游通低阻區(qū)；正導(dǎo)游通低阻區(qū)； 反向阻斷高阻區(qū)。反向阻斷高阻區(qū)。晶閘管晶閘管2. 門極伏安特性門極伏安特性 IGFM： 門極正

11、向峰電流門極正向峰電流 UGFM：門極正向峰電壓：門極正向峰電壓PGM： 門極峰值功率門極峰值功率 PG： 門極平均功率門極平均功率 具有分散性，具有分散性， 采用區(qū)域表示法采用區(qū)域表示法 IGFM IGTUGT UGFM PGM PG UgIg晶閘管晶閘管二、動(dòng)態(tài)特性二、動(dòng)態(tài)特性1開通特性；開通特性； 2關(guān)斷特性關(guān)斷特性開通開通過程過程關(guān)斷關(guān)斷過程過程晶閘管晶閘管三、晶閘管的主要參數(shù)三、晶閘管的主要參數(shù) 1、電壓參數(shù)、電壓參數(shù)1斷態(tài)反復(fù)峰值電壓斷態(tài)反復(fù)峰值電壓UDRM2反向反復(fù)峰值電壓反向反復(fù)峰值電壓URRM3晶閘管的額定電壓晶閘管的額定電壓UR取取UDRM和和URRM中較小值，取整中較小值

12、，取整 1000V以下以下100V一個(gè)等級(jí)一個(gè)等級(jí) 1000-3000V200V一個(gè)等級(jí)一個(gè)等級(jí)4通態(tài)平均電壓通態(tài)平均電壓U T(AV)晶閘管晶閘管2、電流參數(shù)、電流參數(shù)1通態(tài)平均電流額定電流通態(tài)平均電流額定電流IT(AV) 單相、工頻、正弦半波、角度單相、工頻、正弦半波、角度170 IT(AV)=210mIsinttdI = 2I)sin(I21m02mtdtf/ IT(AV) =/2 = 1.57 選擇元件：有效電流整流輸出：平均電流從平均電流找出相應(yīng)波形的有效電流以保證不過熱2維持電流維持電流H 幾十幾十mA，結(jié)溫，結(jié)溫IH(難關(guān)斷難關(guān)斷)3擎住電流擎住電流L 開經(jīng)過程中，能維持導(dǎo)通的最

13、小電流，普通開經(jīng)過程中，能維持導(dǎo)通的最小電流，普通L(24)H晶閘管晶閘管3、其他參數(shù)、其他參數(shù)1斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率UB0 額定結(jié)溫、門極開路，使元件斷額定結(jié)溫、門極開路，使元件斷通的最小電壓上升率通的最小電壓上升率 U ak (duak /dt) UB0(=min duak /dt時(shí)，時(shí)， IC相當(dāng)于相當(dāng)于Ig2通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率3門極觸發(fā)電流門極觸發(fā)電流GT與門極觸發(fā)電壓與門極觸發(fā)電壓GT 對(duì)觸發(fā)電路要求，隨溫度變化。對(duì)觸發(fā)電路要求，隨溫度變化。晶閘管晶閘管4、晶閘管的型號(hào)、晶閘管的型號(hào)普通普通, 快速型，快速型，雙向型，雙向型，逆導(dǎo)型，逆導(dǎo)型，可關(guān)斷，

14、可關(guān)斷，LTT 光控光控 KP電流電流電壓電壓/100 通態(tài)壓降組別通態(tài)壓降組別 如如KP500-12G，表示該晶閘管通態(tài)平均電，表示該晶閘管通態(tài)平均電流流 I T ( A V ) = 5 0 0 A 通 態(tài) 壓 降 通 態(tài) 壓 降0.9V=UT(AV)=1.0V ，斷態(tài)正反，斷態(tài)正反向反復(fù)峰值電壓向反復(fù)峰值電壓UR=1200V。晶閘管晶閘管晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 (1).快速晶閘管快速晶閘管FST (2).雙向晶閘管雙向晶閘管TRIAC (3).逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管RCT (4).門級(jí)可關(guān)斷晶閘管門級(jí)可關(guān)斷晶閘管GTO (5).光控晶閘管光控晶閘管LTT大功率晶體管大功率晶體管構(gòu)造

15、構(gòu)造 (a) 普通晶體管構(gòu)造普通晶體管構(gòu)造 (b) GTR構(gòu)造構(gòu)造 (c) 符號(hào)符號(hào) 雙極導(dǎo)電性：電子、空穴均參與導(dǎo)電雙極導(dǎo)電性：電子、空穴均參與導(dǎo)電電流全控型：經(jīng)過調(diào)理電流全控型：經(jīng)過調(diào)理B極電流控制集、射極極電流控制集、射極C、E間通斷間通斷大功率晶體管大功率晶體管1. 任務(wù)特性a輸入特性；b輸出特性2. 動(dòng)態(tài)特性a等值電路；b開關(guān)特性 (a)(b)大功率晶體管大功率晶體管主要參數(shù)主要參數(shù)1、電壓參數(shù)、電壓參數(shù) 集電極額定電壓集電極額定電壓UCEM 飽和壓降飽和壓降UCES2、電流參數(shù)、電流參數(shù) 延續(xù)直流額定集電極電流延續(xù)直流額定集電極電流Ic 集電極額定電流最大允許電流集電極額定電流最大

16、允許電流ICM 基極電流最大允許值基極電流最大允許值IBM 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PCM大功率晶體管大功率晶體管1、二次擊穿景象、二次擊穿景象AABceceoccUUi達(dá)到點(diǎn)后，出現(xiàn)擊穿一次現(xiàn)象（段）元件不會(huì)損壞但性能變差CCDceCUi仍，達(dá)點(diǎn)集 電 極 局 部 過 熱出現(xiàn) 低 電 壓 、 大 電 流 的負(fù) 阻 效 應(yīng) （段 ）二 次 擊 穿 ， 元 件 損 壞出現(xiàn)擊穿景象出現(xiàn)擊穿景象AB段，稱為一次擊穿。段，稱為一次擊穿。二次擊穿過程仿真演示二次擊穿過程仿真演示大功率晶體管大功率晶體管GTR2、平安任務(wù)區(qū)、平安任務(wù)區(qū) (a) FBSOA (b) RBSOA 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功

17、率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一、構(gòu)造與任務(wù)原理一、構(gòu)造與任務(wù)原理 (a) 構(gòu)造圖構(gòu)造圖 (b) N溝道符號(hào)溝道符號(hào) (c) P溝道符號(hào)溝道符號(hào)單極導(dǎo)電性：只需電子單極導(dǎo)電性：只需電子N溝道或空穴溝道或空穴P溝道參與導(dǎo)電溝道參與導(dǎo)電電壓全控型：經(jīng)過調(diào)理柵極電壓控制漏、源極電壓全控型：經(jīng)過調(diào)理柵極電壓控制漏、源極D、S間通斷間通斷功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管二、任務(wù)特性二、任務(wù)特性1、靜態(tài)特性、靜態(tài)特性1漏極伏安特性漏極伏安特性a可調(diào)電阻區(qū)可調(diào)電阻區(qū)I：UGS固固定，定，UDS由由0上升到預(yù)上升到預(yù)夾斷電壓，夾斷電壓，ID線性添加；線性添加；接近預(yù)夾斷電壓時(shí)接近預(yù)夾斷電壓時(shí)ID變變化慢?；?。b飽和區(qū)飽和區(qū)II：雖：雖UD

18、S繼續(xù)繼續(xù)增大，但增大，但I(xiàn)D根本堅(jiān)持不根本堅(jiān)持不變；假設(shè)堅(jiān)持變；假設(shè)堅(jiān)持UDS不變，不變，那么那么UGS越高，越高， ID越大。越大。c擊穿區(qū)擊穿區(qū)III：UDS增大過增大過頭，頭， ID急劇添加。急劇添加。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管2轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性GSDmUIg跨導(dǎo)與跨導(dǎo)與GTR中中類似類似表示柵源極電壓表示柵源極電壓UGS對(duì)漏極電流對(duì)漏極電流ID的控制才干的控制才干功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管2、開關(guān)特性、開關(guān)特性 為多數(shù)載流子器件，沒為多數(shù)載流子器件，沒有存儲(chǔ)有存儲(chǔ)效應(yīng)，開關(guān)時(shí)間短為效應(yīng)，開關(guān)時(shí)間短為20ns左左右。右。輸入電容輸入電容:GDGSinCCC開通：開通：a aGSinPUCU充電，,b bDTH(GSGSiUU時(shí)，導(dǎo)電溝道，有）c c不變穩(wěn)定，仍充電，預(yù)夾斷隨DGSinGSiUCUDirondonttt）（d d功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)斷：關(guān)斷：aUP高電平，高電平，Cin放電，放電，UGS下降，下降，iD未變未變 btdoff時(shí)，預(yù)夾斷，時(shí)，預(yù)夾斷，iD下降下降 cCin仍放電，仍放電